Abstract A self-cleaving ribozyme mapping to an intron of the cytoplasmic polyadenylation element binding protein 3 ( CPEB3 ) gene has been suggested to play a role in human episodic memory, but the underlying mechanisms mediating this effect are not known. The ribozyme’s self-scission half-life matches the time it takes an RNA polymerase to reach the immediate downstream exon, suggesting that the ribozyme-dependent intron cleavage is tuned to co-transcriptional splicing of the CPEB3 mRNA. Here we report that the murine ribozyme modulates its own host mRNA maturation in both cultured cortical neurons and the hippocampus. Inhibition of the ribozyme using an antisense oligonucleotide leads to increased CPEB3 protein expression, which enhances polyadenylation and translation of localized plasticity-related target mRNAs, and subsequently strengthens hippocampal-dependent long-term memory. These findings reveal a previously unknown role for self-cleaving ribozyme activity in regulating experience-induced co-transcriptional and local translational processes required for learning and memory.

Abstract C/D box small nucleolar RNAs (snoRNAs) comprise a class of small noncoding RNAs with important regulatory effects on cellular RNA function. Although it is well established that snoRNAs coordinate the post-transcriptional modification of pre-ribosomal and small nuclear RNAs by 2’-O-methylation, which leads to enhanced RNA stability, whether they are necessary for memory-related processes remains relatively unexplored. Using targeted sequencing, we have identified more than 150 C/D box snoRNAs in the prefrontal cortex of male C57BL/6J mice, 31 of which are differentially expressed in response to fear extinction learning. We have also discovered a subset of snoRNAs, including many orphans, that are enriched in the synaptic compartment, including the orphan snoRNA snord64. An extinction learning-induced increase in synapse-enriched snord64 led to increased 2’-O-methylation within the 3-UTR of the mRNA encoding the ubiquitin ligase RNF146. This effect was blocked by snord64 knockdown and was accompanied by attenuated forgetting of conditioned fear and the enhanced retrieval of fear extinction memory. Localized activity of orphan snoRNAs therefore represents a novel mechanism associated with fear-related learning and memory. Significance statement We have discovered a population of experience-dependent small nucleolar RNAs (snoRNAs), and found that several of these are recruited to the synaptic compartment in response to fear extinction learning. In particular, the orphan snoRNA, snord64, drives the methylation of the mRNA encoding the ubiquitin ligase, RNF146, with a reduction in snord64 attenuating forgetting of conditioned fear and enhancing the retrieval of fear extinction memory. This study reveals a new mechanism of gene regulation associated with fear-related memory that involves the activity of synapse-enriched snoRNAs.

Here we report that the recently discovered mammalian DNA modification N6-methyl-2-deoxyadenosine (m6dA) is dynamically regulated in primary cortical neurons, and accumulates along promoters and coding sequences within the genome of activated prefrontal cortical neurons of adult C57/Bl6 mice in response to fear extinction learning. The deposition of m6dA is generally associated with increased genome-wide occupancy of the mammalian m6dA methyltransferase, N6amt1, and this correlates with fear extinction learning-induced gene expression. Of particular relevance for fear extinction memory, the accumulation of m6dA is associated with an active chromatin state and the recruitment of transcriptional machinery to the brain-derived neurotrophic factor (Bdnf) P4 promoter, which is required for Bdnf exon IV mRNA expression and for the extinction of conditioned fear. These results expand the scope of DNA modifications in the adult brain and highlight changes in m6dA as a novel neuroepigenetic mechanism associated with activity-induced gene expression and the formation of fear extinction memory.

The RNA modification N6-methyladenosine (m6A) is critically involved in the regulation of gene activity underlying experience-dependent plasticity, and is necessary for the functional interplay between RNA and RNA binding proteins (RBPs) in the nucleus. However, the complete repertoire of m6A-modified RNA interacting RBPs in the synaptic compartment, and whether they are involved in fear extinction, have yet to be revealed. Using RNA immunoprecipitation followed by mass spectrometry, we discovered 12 novel, synapse-specific, learning-induced m6A readers in the medial prefrontal cortex of male C57/B6 mice. m6A RNA-sequencing also revealed a unique population of learning-related m6A-modified RNAs at the synapse, which includes a variant of the long non-coding RNA (lncRNA) metastasis associated lung adenocarcinoma transcript 1 (Malat1). m6A-modified Malat1 binds to a subset of novel m6A readers, including cytoplasmic FMR1 interacting protein 2 (CYFIP2) and dihydropyrimidase-related protein 2 (DPYSL2) and a cell-type-specific, state-dependent, and synapse-specific reduction in m6A-modified Malat1 disrupts the interaction between Malat1 and DPYSL2 and impairs fear extinction. The consolidation of fear-extinction memory therefore relies on an interaction between m6A-modified Malat1 and select RBPs in the synaptic compartment.

RNA modification has recently emerged as an important mechanism underlying gene diversity linked to behavioral regulation. The conversion of adenosine to inosine by the ADAR family of enzymes is a particularly important RNA modification as it impacts the physiological readout of protein-coding genes. However, not all variants of ADAR appear to act solely on RNA. ADAR1 binds directly to DNA when it is in a non-canonical, left handed, Z conformation, but little is known about the functional relevance of this interaction. Here we report that ADAR1 binds to Z-DNA in an activity-dependent manner and that fear extinction learning leads to increased ADAR1 occupancy at DNA repetitive elements, with targets adopting a Z-DNA structure at sites of ADAR1 recruitment. Knockdown of ADAR1 leads to an inability to modify a previously acquired memory trace and this is associated with a concomitant change in DNA structure and a decrease in RNA editing. These findings suggest a novel mechanism of learning-induced gene regulation whereby ADAR1 physically interacts with Z-DNA in order to mediate its effect on RNA, and both are required for memory flexibility following fear extinction learning.

ABSTRACT Long-noncoding RNA (lncRNA) comprise a new class of genes that have been assigned key roles in development and disease. Many lncRNAs are specifically transcribed in the brain where they regulate the expression of protein-coding genes that underpin neuronal function; however, their role in learning and memory remains largely unexplored. We used RNA Capture-Seq to identify a large population of lncRNAs that are expressed in the infralimbic cortex of adult male mice in response to fear-related learning, with 14.5% of these annotated in the GENCODE database as lncRNAs with no known function. We combined these data with cell-type-specific ATAC-seq on neurons that had been selectively activated by fear-extinction learning, and revealed 434 lncRNAs derived from enhancer regions in the vicinity of protein-coding genes. In particular, we discovered an experience-induced lncRNA called ADRAM that acts as both a scaffold and a combinatorial guide to recruit the brain-enriched chaperone protein 14-3-3 to the promoter of the memory-associated immediate early gene Nr4a2. This leads to the expulsion of histone deactylases 3 and 4, and the recruitment of the histone acetyltransferase creb binding protein, which drives learning-induced Nr4a2 expression. Knockdown of ADRAM disrupts this interaction, blocks the expression of Nr4a2, and ultimately impairs the formation of fear-extinction memory. This study expands the lexicon of experience-dependent lncRNA activity in the brain, highlights enhancer-derived RNAs (eRNAs) as key players in the epigenetic regulation of gene expression associated with fear extinction, and suggests eRNAs, such as ADRAM, may constitute viable targets in developing novel treatments for fear-related anxiety disorders.